Luận văn thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực nghiên cứu đặc tính quá trình cháy động cơ diesel 01 xylanh phun trực tiếp sử dụng nhiên liệu biodiesel sản xuất bằng phương pháp siêu tới hạn

Luận văn nghiên cứu đặc tính quá trình cháy động cơ diesel 01 xy-lanh phun trực tiếp sử dụng nhiên liệu biodiesel sản xuất bằng phương pháp siêu tới hạn.

• Tác giả: Nguyễn Hồng Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Ngọc Dũng
• Trường học: Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Nghiên cứu đặc tính quá trình cháy động cơ diesel 1 xy-lanh phun trực tiếp sử dụng biodiesel siêu tới hạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• THUẬT NGỮ VÀ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.2.1. Mục tiêu cụ thể
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
• 1.6. Tóm tắt nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. Quá trình cháy động cơ diesel
• 2.1.1. Giai đoạn cháy trễ
• 2.1.2. Giai đoạn cháy nhanh
• 2.1.3. Giai đoạn cháy chính
• 2.1.4. Giai đoạn cháy rớt
• 2.2. Sự hình thành khí thải trong động cơ diesel
• 2.2.1. Sự hình thành hydrocacbon (HC)
• 2.2.2. Sự hình thành cacbon monoxit (CO)
• 2.2.3. Sự hình thành nitơ ôxít (NOx)
• 2.2.4. Sự hình thành bồ hóng
• 2.3. Nhiên liệu Biodiesel
• 2.3.1. Giới thiệu nhiên liệu biodiesel
• 2.3.2. Nguồn nguyên liệu để sản xuất nhiên liệu biodiesel từ thực vật
• 2.3.3. Các phương pháp sản xuất nhiên liệu biodiesel
• 2.3.4. Tính chất nhiên liệu biodiesel
• 2.4. Phương pháp phân tích quá trình cháy
• 2.4.1. Phương pháp phân tích áp suất buồng cháy
• 2.4.2. Động cơ phun trực tiếp
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP BIODIESEL TỪ HẠT CAO SU VÀ MÔ HÌNH DỰ ĐOÁN TÍNH CHẤT
• 3.1. Phương pháp tổng hợp nhiên liệu biodiesel
• 3.1.1. Nguyên liệu sản xuất biodiesel
• 3.1.2. Phương pháp chuyển hóa ester tạo biodiesel
• 3.1.2.1. Phản ứng chuyển hóa ester 2 giai đoạn với hệ xúc tác axít - kiềm
• 3.1.2.2. Phản ứng chuyển hóa ester với alcohol siêu tới hạn
• 3.1.2.3. So sánh ưu, nhược điểm của phương pháp siêu tới hạn
• 3.2. Mô hình dự đoán tính chất
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ VÀ QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM TRÊN ĐỘNG CƠ
• 4.1. Thiết bị thử nghiệm
• 4.1.1. Động cơ thử nghiệm
• 4.1.2. Bệ thử động cơ và hệ thống điều khiển PUMA
• 4.1.3. Thiết bị đo áp suất buồng cháy và áp suất phun nhiên liệu
• 4.1.4. Thiết bị đo lưu lượng không khí nạp
• 4.1.5. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu
• 4.1.6. Thiết bị điều khiển thanh răng
• 4.1.7. Thiết bị phân tích khí thải
• 4.2. Nhiên liệu thử nghiệm
• 4.3. Quy trình thử nghiệm
• 4.3.1. Điều kiện thử nghiệm
• 4.3.2. Quy trình thử nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 5.1. Kết quả dự đoán tính chất nhiên liệu
• 5.2. Tính năng vận hành động cơ
• 5.2.1. Suất tiêu hao nhiên liệu
• 5.2.2. Suất tiêu hao năng lượng
• 5.2.3. Hiệu suất có ích
• 5.3. Đặc tính phát thải
• 5.3.1. Phát thải HC
• 5.3.2. Phát thải cacbon monoxit (CO)
• 5.3.3. Phát thải nitơ ôxít (NOx)
• 5.4. Đặc tính quá trình cháy
• 5.4.1. Áp suất buồng cháy
• 5.4.2. Áp suất phun nhiên liệu
• 5.4.3. Đường cong tỏa nhiệt
• 5.4.4. Tổng nhiệt lượng tỏa ra theo góc quay trục khuỷu
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển của đề tài

Tóm tắt

I. Nghiên cứu đặc tính quá trình cháy động cơ diesel 1 xy lanh phun trực tiếp

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá đặc tính quá trình cháy của động cơ diesel 1 xy-lanh phun trực tiếp khi sử dụng nhiên liệu biodiesel được sản xuất bằng phương pháp siêu tới hạn. Mục tiêu chính là phân tích hiệu suất và phát thải của động cơ khi sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau, bao gồm diesel thông thường (DO) và các hỗn hợp biodiesel như B5S, B10S, B100S. Kết quả cho thấy, biodiesel có khả năng cải thiện quá trình cháy, giảm thời gian cháy trễ và tăng hiệu suất nhiệt. Tuy nhiên, việc sử dụng biodiesel cũng làm tăng nhẹ lượng phát thải NOx.

1.1. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thử nghiệm các mẫu nhiên liệu trên động cơ Kubota RT125 DI tại tốc độ 1600 vòng/phút với các mức tải khác nhau. Các thông số như áp suất buồng cháy, tốc độ tỏa nhiệt, và khí thải được đo lường và phân tích. Ngoài ra, nghiên cứu cũng sử dụng phương pháp chuyển hóa ester hai giai đoạn và methanol siêu tới hạn để sản xuất biodiesel từ dầu hạt cao su.

1.2. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, biodiesel có thành phần oxy cao hơn so với diesel thông thường, giúp cải thiện quá trình cháy và giảm lượng khói đen phát thải. Tuy nhiên, sự cải thiện này đi kèm với sự gia tăng nhẹ lượng phát thải NOx. Điều này cho thấy, biodiesel là một giải pháp tiềm năng để giảm ô nhiễm môi trường, nhưng cần có các biện pháp kiểm soát phát thải NOx.

II. Ứng dụng biodiesel trong động cơ đốt trong

Nghiên cứu này cũng đề cập đến ứng dụng thực tiễn của biodiesel trong động cơ đốt trong, đặc biệt là trong bối cảnh Việt Nam. Việc sử dụng nhiên liệu sinh học không chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần cải thiện kinh tế địa phương thông qua việc sản xuất biodiesel từ các nguồn nguyên liệu sẵn có như dầu hạt cao su.

2.1. Lợi ích kinh tế và môi trường

Việc sử dụng biodiesel mang lại nhiều lợi ích kinh tế và môi trường. Nó giúp giảm lượng khí thải độc hại như CO, HC và bồ hóng, đồng thời tăng cường hiệu suất của động cơ. Ngoài ra, sản xuất biodiesel từ dầu hạt cao su cũng tạo ra cơ hội việc làm và thúc đẩy phát triển kinh tế địa phương.

2.2. Thách thức và hướng phát triển

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc ứng dụng biodiesel cũng đối mặt với một số thách thức, đặc biệt là vấn đề phát thải NOx. Nghiên cứu đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc cải tiến công nghệ phun nhiên liệu và tối ưu hóa quá trình cháy để giảm thiểu phát thải NOx.

III. Kết luận và đóng góp của nghiên cứu

Nghiên cứu này đã đóng góp quan trọng vào việc phát triển ứng dụng biodiesel trong động cơ đốt trong, đặc biệt là động cơ diesel 1 xy-lanh phun trực tiếp. Kết quả nghiên cứu không chỉ cung cấp cơ sở khoa học cho việc sử dụng nhiên liệu sinh học mà còn mở ra hướng đi mới trong việc cải thiện hiệu suất và giảm phát thải của động cơ.

3.1. Đóng góp khoa học

Nghiên cứu đã cung cấp dữ liệu chi tiết về đặc tính quá trình cháy và hiệu suất động cơ khi sử dụng biodiesel. Đây là nền tảng quan trọng cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực nhiên liệu sinh học và công nghệ động cơ.

3.2. Ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trực tiếp vào thực tiễn sản xuất và sử dụng biodiesel tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu đang phụ thuộc sâu sắc vào nhiên liệu hóa thạch với tỷ trọng chiếm tới 78,3%, trong khi các nguồn năng lượng tái tạo chỉ chiếm khoảng 9%. Sự cạn kiệt nguồn dầu mỏ cùng lượng phát thải độc hại như bồ hóng, hydrocacbon và nitơ oxit từ động cơ diesel đặt ra thách thức cấp bách về an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường sống. Nhằm thực hiện Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo quốc gia theo Quyết định số 1855/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ với mục tiêu đạt 5% nhu cầu nhiên liệu sinh học vào năm 2025 và 11% vào năm 2050, việc phát triển diesel sinh học từ nguồn nguyên liệu nội địa là hướng đi chiến lược.

Việt Nam sở hữu diện tích rừng cao su đạt trên 910.500 ha, tạo ra nguồn phụ phẩm dồi dào ước tính khoảng 200.000 tấn hạt mỗi năm, tương đương tiềm năng chiết xuất 20.000 đến 30.000 tấn dầu thực vật không ăn được. Tuy nhiên, dầu hạt cao su thô có độ nhớt cao và chứa hàm lượng axit béo tự do lên tới 17%, tương ứng chỉ số axit xấp xỉ 37 mg KOH/g, gây khó khăn lớn cho công nghệ chuyển hóa ester truyền thống.

Luận văn tập trung nghiên cứu đặc tính quá trình cháy, tính năng công suất và mức độ phát thải của động cơ diesel 01 xy-lanh phun trực tiếp Kubota RT125DI khi sử dụng nhiên liệu biodiesel điều chế từ dầu hạt cao su bằng phương pháp siêu tới hạn và phương pháp xúc tác hai giai đoạn. Các thử nghiệm được thực hiện tại dải tải từ 100 kPa đến 700 kPa ở tốc độ 1600 vòng/phút. Công trình mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, cung cấp cơ sở dữ liệu quan trọng giúp cắt giảm từ 20% đến 45% độ mờ khói xả, đồng thời gia tăng giá trị kinh tế cho ngành cao su Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng định luật nhiệt động học thứ nhất cho hệ thống nhiệt hở trong xy-lanh động cơ nhằm thiết lập cân bằng năng lượng và xác định tốc độ tỏa nhiệt biểu kiến của môi chất công tác. Diễn biến cháy của động cơ diesel được phân tích qua bốn giai đoạn chuẩn hóa: giai đoạn cháy trễ, giai đoạn cháy nhanh, giai đoạn cháy chính và giai đoạn cháy rớt. Cơ chế hình thành khí thải độc hại dựa trên mô hình nhiệt động hóa học Zeldovich mở rộng đối với nitơ oxit và lý thuyết cháy khuếch tán không đồng nhất đối với hạt bồ hóng.

Các khái niệm then chốt được vận dụng xuyên suốt bao gồm:

• Nhiên liệu biodiesel (Fatty Acid Methyl Ester - FAME): Nhiên liệu mono alkyl ester tái tạo có nguồn gốc từ mỡ động vật hoặc dầu thực vật.
• Trạng thái methanol siêu tới hạn: Trạng thái vật chất của methanol khi vượt quá nhiệt độ tới hạn 239,2°C và áp suất tới hạn 8,09 MPa, giúp phản ứng ester hóa diễn ra đồng pha mà không cần xúc tác.
• Áp suất có ích trung bình (BMEP): Thông số biểu thị mức độ phụ tải và khả năng sinh công hữu ích của chu trình động cơ.
• Suất tiêu hao năng lượng (BSEC) và Hiệu suất nhiệt có ích (BTE): Các đại lượng đánh giá hiệu quả chuyển hóa hóa năng của nhiên liệu thành cơ năng thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 07 mẫu nhiên liệu phối trộn gồm: dầu khoáng truyền thống (DO), ba mẫu biodiesel siêu tới hạn (B5S, B10S, B100S) và ba mẫu biodiesel xúc tác hai giai đoạn (B5C, B10C, B100C). Động cơ thử nghiệm Kubota RT125DI được kết nối với bệ thử băng phanh điện công suất 38 kW kết hợp hệ thống điều khiển tự động hóa.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 105 điểm đo thực nghiệm độc lập, được triển khai tại 5 mức tải trọng (100 kPa, 250 kPa, 400 kPa, 550 kPa và 700 kPa) ở tốc độ vận hành ổn định 1600 vòng/phút. Phương pháp chọn mẫu là lấy mẫu thực nghiệm phân tầng có kiểm soát nghiêm ngặt các thông số đầu vào như nhiệt độ khí nạp, nhiệt độ nước làm mát và áp suất phun. Mỗi chế độ đo được lặp lại 03 lần để lấy giá trị trung bình toán học nhằm loại trừ sai số ngẫu nhiên.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích áp suất chỉ thị buồng cháy kết hợp phân tích sắc ký khí khối phổ (GC-MS) là vì mô hình này cho phép liên kết trực tiếp cấu trúc phân tử axit béo với các chỉ tiêu vật lý và quy luật tỏa nhiệt vi mô trong buồng cháy. Toàn bộ chương trình nghiên cứu thực nghiệm được hoàn thành trong năm 2015 tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Động cơ đốt trong thuộc Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, tính chất vật lý của biodiesel dầu hạt cao su qua mô hình dự đoán và kiểm chứng thực tế đáp ứng hoàn toàn tiêu chuẩn ASTM D6751 và EN 14214. Chỉ số cetane đạt từ 51 đến 54 đơn vị, cao hơn dầu DO khoảng 8% đến 12%. Tỷ trọng nhiên liệu dao động trong khoảng 860 đến 880 kg/m³, độ nhớt động học ở 40°C đạt mức 3,5 đến 4,8 mm²/s, trong khi nhiệt trị thấp hơn dầu khoáng truyền thống khoảng 10% đến 12% (đạt khoảng 38,5 MJ/kg).

Thứ hai, đặc tính quá trình cháy được cải thiện rõ rệt. Nhờ chỉ số cetane cao và sự hiện diện của thành phần oxy nội tại chiếm khoảng 10% đến 11% khối lượng phân tử, thời gian cháy trễ của các mẫu nhiên liệu biodiesel giảm từ 1,5 đến 2,5 độ góc quay trục khuỷu so với dầu DO. Áp suất buồng cháy cực đại xuất hiện sớm hơn và diễn biến tăng áp suất diễn ra êm dịu hơn trong giai đoạn cháy nhanh.

Thứ ba, hiệu suất nhiệt có ích (BTE) của động cơ khi sử dụng B5 và B10 tăng từ 1,2% đến 2,8% ở các chế độ tải cao (400 kPa đến 700 kPa). Mặc dù suất tiêu hao nhiên liệu (BSFC) tăng từ 5% đến 11% do nhiệt trị riêng thấp hơn, suất tiêu hao năng lượng (BSEC) vẫn duy trì tương đương hoặc tối ưu hơn dầu diesel khoáng.

Thứ tư, mức độ phát thải ô nhiễm giảm thiểu đáng kể. Độ mờ khói xả giảm mạnh từ 25% đến 45% đối với mẫu B100 và giảm từ 10% đến 18% đối với mẫu B5 và B10. Lượng phát thải hydrocacbon (HC) và cacbon monoxit (CO) giảm từ 15% đến 30% ở các chế độ phụ tải trung bình và đầy tải. Tuy nhiên, nồng độ phát thải nitơ oxit (NOx) tăng nhẹ từ 4% đến 9% do nhiệt độ cháy cục bộ gia tăng và nguồn oxy dồi dào trong buồng cháy.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp cải thiện hiệu suất cháy và cắt giảm mạnh lượng bồ hóng là do các phân tử FAME cung cấp oxy trực tiếp vào vùng phản ứng khuếch tán. Điều này thúc đẩy quá trình oxy hóa triệt để các hạt muội carbon chưa cháy và hạn chế hình thành các vùng hỗn hợp quá giàu cục bộ. Khi so sánh giữa hai phương pháp sản xuất, mẫu biodiesel siêu tới hạn (SBDF) thể hiện sự vượt trội về độ tinh khiết, không chứa tạp chất xúc tác kiềm hay xà phòng hóa tồn dư, giúp quá trình phun tơi nhiên liệu đồng đều hơn so với mẫu xúc tác hóa học (CBDF).

Dữ liệu nghiên cứu được minh họa trực quan thông qua đồ thị biến thiên áp suất xy-lanh và đường cong tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu từ -30 độ trước điểm chết trên đến 60 độ sau điểm chết trên. Biểu đồ cột so sánh phát thải khí xả ở các dải áp suất có ích trung bình từ 100 kPa đến 700 kPa làm sáng tỏ xu hướng giảm phát thải khói đen tỷ lệ thuận với nồng độ hòa trộn biodiesel. Hiệu suất cháy toàn phần của chu trình động cơ luôn được duy trì ở mức trên 98%, chứng minh tính khả thi kỹ thuật cao của việc thay thế nhiên liệu gốc mỏ.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tối ưu hóa hệ thống cung cấp nhiên liệu và góc phun sớm. Các đơn vị chế tạo và vận hành động cơ cần thực hiện hiệu chỉnh giảm góc phun sớm từ 2 đến 4 độ góc quay trục khuỷu đối với động cơ chạy nhiên liệu B100 hoặc B10. Giải pháp này giúp hạ nhiệt độ cháy cực đại, đưa mức phát thải NOx giảm từ 10% đến 15% mà vẫn bảo toàn hiệu suất nhiệt có ích, triển khai thực hiện trong vòng 6 đến 12 tháng.

Thứ hai, hoàn thiện và mở rộng quy mô công nghệ methanol siêu tới hạn. Bộ Khoa học và Công nghệ cùng các viện nghiên cứu chuyên ngành cần phối hợp triển khai dự án thử nghiệm quy mô bán công nghiệp (pilot) với công suất 500 đến 1.000 lít/ngày. Công nghệ này cần xử lý trực tiếp dầu hạt cao su thô có chỉ số axit trên 35 mg KOH/g, rút ngắn thời gian phản ứng dưới 10 phút và hoàn thành đánh giá trong thời gian 18 tháng.

Thứ ba, thương mại hóa các dòng nhiên liệu phối trộn B5 và B10. Tập đoàn Xăng dầu và các doanh nghiệp đầu mối năng lượng cần sớm xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và trạm phối trộn thương mại B5S và B10S phục vụ cho phương tiện cơ giới nông nghiệp và động cơ tĩnh tại. Mục tiêu đặt ra là tiêu thụ 50.000 tấn dầu sinh học mỗi năm tại khu vực Đông Nam Bộ và Tây Nguyên trong lộ trình 2 đến 3 năm tới.

Thứ tư, thiết lập chuỗi cung ứng thu gom phụ phẩm hạt cao su bền vững. Tập đoàn Công nghiệp Cao su Việt Nam và Sở Nông nghiệp các tỉnh trọng điểm cần xây dựng mạng lưới thu gom hạt cao su tập trung, nâng tỷ lệ thu hồi hạt đạt từ 60% đến 70% tổng sản lượng (khoảng 120.000 tấn hạt/năm) trong khung thời gian 24 tháng, tạo nguồn thu nhập bổ sung ổn định cho người lao động.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Năng lượng và Kỹ thuật Hóa học: Luận văn cung cấp mô hình nhiệt động học chi tiết, giải thuật phân tích áp suất chỉ thị và phương pháp ứng dụng sắc ký GC-MS để dự đoán tính chất nhiên liệu sinh học.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các nhà máy sản xuất động cơ diesel và máy nông nghiệp: Ứng dụng nguồn thông số thực nghiệm để tối ưu hóa vòi phun, biên dạng buồng cháy và hiệu chỉnh bản đồ điều khiển phun cho các dòng động cơ công suất từ 8 kW đến 15 kW.
• Lãnh đạo và chuyên viên kỹ thuật tại các doanh nghiệp chế biến cao su và sản xuất nhiên liệu sinh học: Tiếp cận quy trình công nghệ siêu tới hạn không xúc tác nhằm xử lý các nguồn dầu thực vật có chỉ số axit cao, giảm chi phí tinh chế phụ phẩm.
• Các chuyên gia hoạch định chính sách năng lượng thuộc Bộ Công Thương và Bộ Nông nghiệp: Sử dụng số liệu thực chứng để hoàn thiện khung chính sách khuyến khích năng lượng tái tạo, xây dựng lộ trình bắt buộc phối trộn nhiên liệu sinh học quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao dầu hạt cao su được coi là nguồn nguyên liệu tiềm năng cho biodiesel tại Việt Nam? Việt Nam có hơn 910.500 ha cao su với năng suất đạt khoảng 200 kg hạt/ha. Dầu hạt cao su là loại dầu không ăn được, chứa hàm lượng dầu cao nhưng không cạnh tranh với an ninh lương thực. Việc khai thác nguồn nguyên liệu này giúp tận dụng hàng trăm nghìn tấn phụ phẩm nông nghiệp và gia tăng giá trị kinh tế cho nông hộ.

Phương pháp siêu tới hạn có ưu điểm gì nổi bật so với công nghệ xúc tác hai giai đoạn? Phương pháp methanol siêu tới hạn không cần sử dụng chất xúc tác axit hay kiềm, thời gian phản ứng hoàn tất chỉ trong vài phút thay vì hàng giờ. Công nghệ này xử lý triệt để nguyên liệu có hàm lượng axit béo tự do cao trên 17%, loại bỏ hoàn toàn công đoạn rửa nước và không tạo ra chất thải xà phòng hóa độc hại.

Sử dụng nhiên liệu phối trộn B5 và B10 có làm suy giảm công suất động cơ Kubota RT125DI không? Công suất động cơ không bị suy giảm khi sử dụng B5 và B10. Dù nhiệt trị của biodiesel thấp hơn DO khoảng 11%, thành phần oxy nội tại giúp quá trình cháy hoàn thiện hơn, nâng cao hiệu suất nhiệt có ích thêm 1,2% đến 2,8%, qua đó duy trì ổn định mô-men xoắn và công suất kéo của động cơ.

Tại sao phát thải khí NOx lại có xu hướng tăng nhẹ khi động cơ chạy bằng biodiesel? Nguyên nhân xuất phát từ hàm lượng oxy chiếm 10% đến 11% trong phân tử biodiesel kết hợp với chỉ số cetane cao làm quá trình cháy sớm hơn. Điều này dẫn tới nhiệt độ cục bộ trong buồng cháy tăng cao, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng oxy hóa nitơ theo cơ chế nhiệt Zeldovich sinh ra lượng NOx tăng từ 4% đến 9%.

Có cần thay đổi kết cấu cơ khí của động cơ diesel khi chuyển sang dùng nhiên liệu B5 hoặc B10 không? Hoàn toàn không cần thay đổi bất kỳ kết cấu cơ khí nào trên hệ thống nhiên liệu hay buồng cháy. Các hỗn hợp B5 và B10 có độ nhớt và tỷ trọng tương thích hoàn toàn với tiêu chuẩn dầu khoáng thông thường, đảm bảo độ bôi trơn tốt cho bơm cao áp và kim phun mà không gây nghẹt đường ống dẫn.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình dự đoán tính chất vật lý của biodiesel dầu hạt cao su dựa trên thành phần cấu tử FAME từ phân tích GC-MS với độ chính xác cao.
• Khẳng định công nghệ chuyển hóa methanol siêu tới hạn là giải pháp vượt trội để xử lý dầu hạt cao su có chỉ số axit cao đạt 37 mg KOH/g mà không cần dùng xúc tác hóa học.
• Chứng minh nhiên liệu B5 và B10 cải thiện hiệu suất nhiệt động cơ từ 1,2% đến 2,8% và rút ngắn thời gian cháy trễ từ 1,5 đến 2,5 độ góc quay trục khuỷu tại 1600 vòng/phút.
• Xác thực khả năng cắt giảm vượt bậc phát thải ô nhiễm với độ mờ khói xả giảm từ 25% đến 45%, đồng thời giảm 15% đến 30% hàm lượng CO và HC.
• Cung cấp 105 bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác, làm nền tảng khoa học cho việc thử nghiệm độ bền dài hạn và mở rộng quy mô công nghiệp trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới.

Các tổ chức, nhà khoa học và doanh nghiệp quan tâm đến giải pháp năng lượng xanh từ dầu hạt cao su có thể liên hệ và khai thác chi tiết số liệu từ công trình luận văn này nhằm thúc đẩy thương mại hóa nhiên liệu sinh học bền vững tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngành động cơ đốt trong đóng góp một phần quan trọng vào tiến trình phát triển của con người. Song song với sự phát triển đó, việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng cho các nhu cầu phát triển kinh tế của nhân loại, trong đó nhiên liệu hóa thạch chiếm một tỷ trọng lớn trên tổng năng lượng sử dụng. Theo dự báo của tổ chức năng lượng thế giới nguồn nhiên liệu này sẽ cạn kiệt vào khoảng vài chục năm [I]. Ngoài ra, việc sử dụng nguồn nhiên liệu cũng gây ra tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe con người gồm: khí CO: gây nên hiệu ứng nhà kính làm nhiệt độ trái đất nóng dần lên, các thành phần khí thải khác như: cacbon monoxit (CO), hydro cacbon (HC), nito ôxít (NÑO¿, bồ hóng (PM) gây ra nhiều căn bệnh cho con người.

Vì vậy, để bảo vệ môi trường sống và sức khỏe thì các tiêu chuẩn về khí thải ngày áp dụng cho động cơ tĩnh tại và các phương tiện giao thông vận tải càng khắt khe hơn. Điều này đặt ra thách thức cho các nhà nghiên cứu cũng như các nhà sản xuất trên thế giới tìm ra những nguồn nhiên liệu thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần và thỏa mãn tiêu chuẩn về khí thải. Đây cũng là vấn đề cấp bách mà tất cả các quốc gia đều quan tâm. Theo báo cáo của tô chức năng lượng thế giới về nhu cầu sử dụng năng lượng năm 2015, nhiên liệu hóa thạch chiếm 78,3%, trong khi năng lượng hạt nhân và nguồn năng lượng tái tạo chiếm lần lượt là 2,6% và 9.

So với báo cáo năm 2014 [2], có thể thấy tỷ lệ sử dụng năng lượng tái tạo đã tăng 0,01% và nhiên liệu hóa thạch đã giảm 0,01%; tuy nhiên nhiên liệu hóa thạch vẫn chiếm một phần lớn so với tỷ lệ sử dụng nhiên liệu sinh học. Việc phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch đã gây nên những vấn đề như: cạn kiệt nguồn năng lượng, gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và tác động tiêu cực đến vấn đề an ninh, chính trị nhiều khu vực trên thế giới. Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đã đề ra chiến lược phát triển nguồn năng lượng tái tạo nhằm giải quyết bài toán về an ninh năng lượng, môi trường và cải thiện tỷ lệ hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo vào năm 2030 đạt 50% tổng nhu cầu năng lượng trên thế giới [2]. Tại Việt Nam, Quyết định số 1855/QD- TTg ban hành ngày 27/12/2007 của thủ tướng chính phủ phê duyệt chiến lược phát triển Năng lượng tái tạo quốc gia của Việt Nam đến năm 2020 tầm nhìn đến 2050 [3].

Trong đó, đối với nhiên liệu sinh học đạt 100 nghìn tấn xăng E5 và 50 nghìn tan dau B5 vào năm 2010 tương đương với 0,4% tổng nhu cầu xăng dầu dự kiến của cả nước đạt 5% nhu cầu xăng dầu vào năm 2025 và 11% vào năm 2050 [3]. Nhiên liệu biodiesel - Diesel sinh hoc (BDF) là một dạng năng lượng tái tạo có nguồn gốc từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Tùy thuộc vào vị trí địa lý, khí hậu cũng như khả năng khai thác nguồn nguyên liệu có sẵn để tìm kiếm giải pháp năng lượng thay thế phù hợp với từng quốc gia, từng khu vực. Nghiên cứu về nhiên liệu diesel sinh học là một trong những hướng nghiên cứu chính hiện nay của các nước trên thế giới.

Tại Mỹ dầu đậu nành được tập trung nghiên cứu để sản xuất nhiên liệu biodiesel, tại Châu Âu tập trung vào hạt cải dầu; trong khi đó khu vực Đông Nam Á thì tập trung vào các cây dầu co, dau diva, dau đậu nành, dầu cây cọc rào. và những năm gần đây là dầu từ hạt cao su. Việt Nam với sản lượng cao su xếp thứ năm trên thế giới, có thê xem nguồn nguyên liệu từ dầu hạt cao su để sản xuất biodiesel là một lợi thế. Đây là loại dầu không ăn được có độ nhớt cao và có tính oxi hóa cao do trong thành phần có chứa hàm lượng lớn các acid béo không bão hòa và hàm lượng các acid béo tự do (free fatty acid - FEA) khoảng 17% tức chỉ số acid khoảng 37 mg KOH/g [4-5].

Dầu từ hạt cao su (RSO) được xem như nguồn nguyên liệu được quan tâm để sản xuất nhiên liệu biodiesel ở các nước Ấn Độ, Malaysia, Indonesia [7-10] và được báo cáo trong một số công trình nghiên cứu của Việt nam [1 1-13]. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng diesel sinh học thu được từ dầu hạt cao su có những tính chất tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống và thỏa mãn các tiêu chuẩn của nhiên liệu biodiesel [Š]. Bên cạnh việc lựa chọn nguồn nguyên liệu dé sản xuất biodiesel thì phương pháp sản xuất và thử nghiệm cũng đóng một vai trò then chốt trong bức tranh tông quan để có thê từng bước thương mại hóa sản phẩm biodiesel. Phương pháp chuyển hóa ester truyền thống với sự kết hợp hai xúc tác axít-bazơ đã được phát triển dé giải quyết những vấn đề của dầu hạt cao su thô như độ axít cao, độ nhớt cao và thành phần nước trong dầu, tuy nhiên phương pháp này cũng còn nhiều hạn chế như sử dụng nhiều xúc tác, cần xử lí các sản phẩm xà phòng hóa sau phản ứng, thời gian phản ứng kéo dài.

Ngoài ra, gần đây sản xuất nhiên liệu biodiesel bằng phương pháp chuyên hóa ester trong môi trường methanol siêu tới hạn đã được nghiên cứu, phát triển nhằm khắc phục những vấn đề mà phương pháp sản xuất truyền thống đang gặp phải, đây là phương pháp sản xuất nhiên liệu biodiesel không dùng xúc tác, thời gian phản ứng ngắn và hiệu suất biodiesel thu được cao [6]. Nghiên cứu và đánh giá nhiên liệu biodiesel được sản xuất bằng phương pháp methanol siêu tới hạn đã được nhóm thực hiện trong luận văn này. Đề tài này tập trung nghiên cứu, đánh giá sự ảnh hưởng của biodiesel bằng hai phương pháp sản xuất khác nhau đó là phương pháp chuyên hóa ester xúc tác qua hai giai đoạn và phương pháp chuyển hóa ester trong môi trường siêu tới hạn lên đặc tính quá trình cháy, đặc tính công suất và phát thải của động cơ Diesel một xy lanh phun nhiên liệu trực tiếp. Mục tiêu đề tài 1.

Mục tiêu chung e _ Tìm hiểu về hai phương pháp tổng hợp biodiesel từ đó xác định các chỉ tiêu của loại nhiên liệu này như: chỉ số cetane, tỷ trọng, độ nhớt, nhiệt trị, chi số acid, chỉ số iodine. ảnh hưởng đến đặc tính của động cơ diesel. e _ Trên cơ sở thực nghiệm xác định tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu phù hop gitra biodiesel (5%, 10% theo thê tích) với điesel và biodiesel 100%. Từ đó dự đoán và phân tích tỷ lệ tối ưu.

e _ Phân tích đặc tính quá trình cháy các mẫu nhiên liệu biodiesel được sản suất từ hai phương pháp chuyên hóa ester hai giai đoạn có xúc tác và không xúc tác trong môi trường methanol siêu tới hạn để làm cơ sở giải thích sự khác biệt về tính công suất, đặc tính khí thải động cơ diesel khi sử dụng các mẫu nhiên liệu khác nhau. Mục tiêu cụ thé e _ Phân tích sắc ký (GC-MS) xác định thành phần methyl ester để xây dựng mô hình dự đoán tính chất của nhiên liêu biodiesel và sự ảnh hưởng của trọng lượng phân tử ( chiều dài chuỗi cacbon) và số liên kết đôi đến các tính chất chỉ số cetanee, trọng lượng riêng, độ nhớt và nhiệt trị. e _ Đo mức tiêu hao nhiên liệu tại tốc độ động cơ 1600 víp tại các vị trí tải lần lượt là 100 kPa, 250 kPa, 400 kPa, 550 kPa, 700 kPa để xác định suất tiêu hao nhiên liệu, suất tiêu hao năng lượng và hiệu suất nhiệt (hiệu suất có ích) của các mẫu nhiên liệu thử nghiệm. e Đo lường thông số trạng thái áp suất theo góc quay trục khuỷu để tính toán và xác định đường cong áp suất và đường cong tỏa nhiệt tại tốc độ 1600 vòng/ phút theo từng chế độ tải tương ứng từ 100 kPa, 250 kPa, 400 kPa, 550 kPa, 700 kPa.

© _ So sánh lượng khí phát thải từ động cơ bao gồm: thành phần HC, CO, NOx, độ mờ khói. Đối tượng nghiên cứu e Dong co Kubota 01 xylanh RT125DI được sử dụng trong thí nghiệm nay va được kết nối với một băng thử có công suất 38 kW. e_ Các loại nhiên liệu được chuẩn bị đề thử nghiệm trên động cơ Diesel 01 xylanh gôm: > Dau Diesel truyén thống (DO); > Hỗn hợp nhiên liệu biodiesel được sản xuất bằng phương pháp siêu tới hạn pha trộn với nhiên liệu diesel theo thể tích gsm: B5S, B100S va B100S; > Hon hop nhiên liệu biodiesel được sản xuất bằng phương pháp xúc tác hai giai đoạn pha trộn với nhiên liệu diesel theo thể tích gồm: BSC, B100C va B100C. Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thu thập tài liệu © _ Tìm hiều và nắm vững lý thuyết về quá trình cháy của động cơ Diesel đề từ đó vận dụng vào thực tế nghiên cứu.

e Thu thap va chọn lọc từ những bài báo, nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài luận văn như quá trình sản xuất, ứng dụng và những đánh giá về tính năng công suất, phát thải của nhiên liệu sinh học. e_ Đọc các tài liệu liên quan đến động cơ KUBOTA RT125DI, và các tải liệu liên quan đến các thiết bị đo đạc sử dụng trong thử nghiệm như: thiết bị đo lưu lượng không khí, thiết bị đo khí thải, v.để nắm rõ cách thức lắp đặt, vận hành và thu thập số liệu khi tiến hành các thử nghiệm. %* Phương pháp thống kê, phân tích và tổng hợp Phương pháp này được sử dụng chủ yếu trong toàn bộ nội dung của nghiên cứu này; bao gồm: thống kê, phân tích va tong hợp từ các nguồn tài liệu và số liệu thu thập được để trình bày nội dung báo cáo trong đề tài này. +* Phương pháp thực nghiệm Tiến hành thử nghiệm trên động cơ Diesel 01 xylanh với 07 mẫu nhiên liệu thử nghiệm như đã nêu gồm: DO, B5S, B10S, B100S, B5C, B10C, B100C trong phần đối tượng nghiên cứu.

Quy trình thử nghiệm tại các tốc độ động cơ khác nhau gồm 1600 víp với tải thay đổi từ thấp đến cao sẽ được áp dụng đề đánh giá đặc tính quá trình cháy của nhiên liệu ảnh hưởng lên tính năng công suất và phát thải của động cơ Diesel. s* Phương pháp so sánh Tiến hành thử nghiệm 03 lần, lẫy kết quả trung bình của 03 giá trị. Sau đó so sánh giá trị này với các giá trị của các mẫu nhiên liệu thử nghiệm khác và đưa ra những nhận xét đánh giá về kết quả so sánh.